GeorgyNsk2017

На минувшей неделе журналисты Financial Times поймали агентство NASA за руку: на сайте последнего была сначала опубликована, а затем стремительно удалена заметка о том, что специалисты Google достигли квантового превосходства. ТАСС вместе с Алексеем Федоровым, руководителем группы квантовых информационных технологий Российского квантового центра, разбирает, что произошло и что все эти слова значат.

Чего-чего достигли в Google?

Квантового превосходства (Quantum Supremacy). Джон Прескилл, который ввел этот термин, неформально объяснял его так, цитирует Федоров: "Квантовые компьютеры за разумное время решают ту задачу, которая за разумное время на классическом компьютере решена быть не может". Есть более строгое и научное определение термина, но в расхожем смысле квантовое превосходство зачастую понимается именно так.

Достичь этого превосходства физик Джон Мартинис, руководитель группы квантовых вычислений в Google AI, обещал еще в конце 2017-го. Теперь, если верить препринту статьи, "всплывшей" на сайте программы NASA по научным коммуникациям и осевшей в кэше поисковика Bing, группа Мартиниса справилась с задачей, опоздав всего-то на два года. Их квантовый компьютер на 53 рабочих сверхпроводящих кубитах (вообще должно было быть 54, но один сломался) примерно за 200 секунд справился с задачей, на которую суперкомпьютеру Summit, наиболее производительному сегодня на планете, потребуется 10 тыс. лет. Под определение квантового превосходства, на первый взгляд, эта история попадает.

Подождите секунду, на сверхпроводящих ку... чем?

Кубит (qubit, от quantum bit) — это бит, только квантовый. Обычная единица информации, бит — это базовый "кирпичик" классических вычислителей. Он может находиться строго в одном из двух логических состояний: либо 0, либо 1. Лампочка или горит, или нет. Транзистор либо под напряжением, либо нет. А вот квантовый, он как кот Шредингера, находится в суперпозиции: одновременно "и жив, и мертв", в том смысле, что он и 0, и 1, и "выпадает" в одно из значений, только когда мы проверяем его состояние.

Это значит, что система из двух битов в каждый отдельный момент может кодировать лишь одно из четырех своих возможных состояний, а вот система из двух кубитов кодирует сразу четыре из четырех. Соответственно, когда кубитов у нас десять, то и кодирует она одновременно сразу 1024 состояния, а вычислительные операции над каждым из них можно совершать с использованием квантового параллелизма.

Зачем это квантовое превосходство нужно?

Демонстрация квантового превосходства нужна для того, чтобы наконец показать: квантовые компьютеры — это не просто фантазия Ричарда Фейнмана, а реальная машина, которая действительно мощнее классических в определенных задачах. А такой скепсис в научном сообществе присутствует. Поэтому экспериментальная демонстрация превосходства квантовых вычислителей над традиционными — важная и необходимая веха в развитии квантовых компьютеров.

Кстати, поскольку определение квантового превосходства достаточно свободно, можно было считать, что оно было достигнуто еще несколько лет назад, отмечает Федоров. Очень, очень специфическая задача была решена еще группой немецкого физика Эммануэля Блоха — тогда задача по симуляции квантового процесса на установке Блоха была решена, и проверить ее на традиционных вычислителях не удалось (хотя и не исключено, что немцы не стали особенно стараться, не будучи заинтересованы в достижении превосходства). Кроме того, машина Блоха была квантовым симулятором, а не компьютером, то есть не была способна совершать логические операции.

Убедить небольшую группу специалистов, погруженных в тему, — это одно дело. Но для того, чтобы убедить достаточное число физиков, нужны аргументы посильнее. Они должны иметь под собой обоснование с точки зрения теории вычислительной сложности.

И случае с нынешним экспериментом шансы на признание намного выше.

В чем особенность эксперимента Мартиниса?

Группа Мартиниса взяла задачу, теоретические оценки сложности решения которой есть и есть консенсус о том, что классический компьютер ее в "разумное время" уже не решает. Задача эта — генерация случайных квантовых схем и перевод их в двоичный код (то есть число типа 1010101000101…).

Этот консенсус, конечно, не всеобщий. В публикации мая 2019 года, в которой он зафиксирован, ученые описывают, что они придумали тест на "превосходность" квантовых машин, который подходит квантовым вычислителям любой архитектуры. Для этого им необходимо решить задачу по генерации случайной квантовой схемы определенного размера и ее "прочтения": у мощнейшего на планете Summit подобные расчеты заняли два с лишним часа, у другого суперкомпьютера, Electra из NASA, 59 часов, а квантовый вычислитель, предсказывали ученые, должен справиться за 100 секунд.

Ученые усложнили себе задачу до невыполнимых для традиционных вычислителей масштабов и справились с ней за 200 секунд — они перевели случайную квантовую схему в строчки бинарного кода миллион раз.

У такой процедуры, конечно, есть некоторые практические следствия, признает Федоров. Например, генерация истинно случайных чисел. Это приложение уже можно монетизировать: на конференции Российского квантового центра в июле 2019-го в Москве именно оно было обозначено как первое коммерческое применение квантовых компьютеров. Но это пока не универсальный квантовый компьютер.

Если не универсальный, то какой это был компьютер?

Машина, которая, судя по всему, привела Google к квантовому превосходству, крайне специфическая и заточена была конкретно под эту задачу. Можно ли с помощью такого чипа решать эффективно другие задачи — вопрос открытый.

Квантовые компьютеры, в отличие от привычных нам, бывают самых разных типов и обликов. Квантовый бит должен проявлять квантовые свойства, а обыкновенные объекты, те же лампочки или транзисторы, не таковы. Поэтому на роль кубитов нужны объекты микромира, настолько маленькие, чтобы подчиняться уже правилам квантовой механики. И кандидатов на это множество. Есть машины, кубиты которых — это частицы бериллия в электромагнитных ловушках, а их состояния — собственно их колебания. Есть кубиты на дефектах в кристаллической решетке алмаза: электроны в наноскопических "щербинках" при облучении лазером тоже демонстрируют квантовые свойства. Множество самых разных компаний, которые сегодня строят свои квантовые вычислители, развивают самые разные технологии. Какая из них однажды станет пользовательским стандартом, предсказать пока невозможно.

Машины Мартиниса — это наиболее понятные современным компьютерщикам, как и обывателям, "железки". Это чип из сверхпроводников, то есть связанные друг с другом металлические микросхемы, охлажденные жидким гелием почти до абсолютного нуля. Сверхпроводящий ток, циркулирующий в таких микросхемах, как раз и "квантуется": 1 и 0 у такого квантового бита соответствует либо направление тока (по или против часовой стрелки), либо число куперовских пар (то есть пар электронов в сверхпроводящем токе) на отдельных элементах микросхем. Такие машины сейчас делает не только Google, но и другой техногигант — IBM. И основной спор за право быть "квантовым лидером" ведут именно они.

О перспективах квантовых компьютеров и значении квантовой гонки читайте в материале "В стадии мирной коллаборации".

Почему удалили статью?

В распоряжении широкой аудитории есть пока лишь "спасенная" с сайта NASA копия: нет графиков, шрифты искажены. Неизвестно даже, полный ли это текст. Но в целом, говорит Федоров, даже эти фрагменты позволяют судить о том, что техническое достижение имеет место быть. Но для настоящей оценки и верификации, по словам Алексея, нужно дождаться научной статьи. Так что слухи о том, что статья уже прошла рецензирование и пока просто продолжает готовиться к печати, скорее всего, верны.

Статью удалили, по-видимому, чтобы не сорвать запланированные торжества (хотя эффект, конечно, уже будет несколько испорчен), а не потому что что-то пошло не так.

Как она вообще попала в NASA? У тех есть контракт с Google именно для того, чтобы проверять результаты машины Мартиниса на суперкомпьютере агентства. Судя по титульному листу статьи в кэше, виновным в утечке стоит считать Моффета Филда (Moffett Field), и указанного в качестве автора отчета в системе NASA, и числящегося в списке соавторов самой статьи.

И что теперь?

Пока надо дождаться официальной публикации. Дополнительные вопросы, конечно, могут возникнуть, признает Федоров. Но шампанское, хотя открывать его пока и рано, можно запасать. Демонстрация квантового превосходства — это важнейшая веха в развитии квантовых вычислений, хотя это и не значит, что теперь-то мы сможем наконец получить все ответы на все вопросы.

Говоря о "квантовой гонке", часто упоминают о том, что создание эффективного квантового компьютера в чем-то сродни созданию ядерной бомбы. Например, защита системы RSA, которая сегодня крайне широко используется для шифрования данных, строится как раз на том, что классическим вычислителям для факторизации длинных чисел нужно огромное время. Но вот квантовый компьютер такая защита не остановит: то, что система на кубитах будет с легкостью решать такие задачи, было концептуально показано — все тем же Мартинисом и многими другими группами — еще в начале этого десятилетия. Однако в "утекшей" статье отдельно оговаривается, что для реализации алгоритма Шора (который, собственно, и был придуман для того, чтобы раскладывать длинные числа на множители при помощи квантовых процессоров) их системе все еще нужно время, сейчас это невозможно.

На то, чтобы сломать RSA и какую-то другую криптографическую систему с открытым ключом, оценивает Федоров, потребуются миллионы кубитов. Сейчас речь лишь о десятках и сотнях. Сколько времени на масштабирование технологии потребуется, оценить невозможно: это могут быть два, три года, пять лет, а может быть, это придумают уже завтра. Но пока непонятно, когда это случится.

Зачем это тогда вообще нужно?

Тут все очень просто. Квантовые вычислители — это хорошие вычислители, а вычисления сегодня лежат в основании таких весьма многообещающих для капитала вещах, как, например, синтез новых молекул (это и новые материалы, и новые лекарства) и машинное обучение. Да и банальное увеличение объемов данных, перемещение которых по миру обеспечивает все тот же Google, требует все более мощных процессоров. Для многих техногигантов прорыв в экспоненциальный рост вычислительных способностей — вопрос банальный. Выживание.

Источник

Ниже представлены арт-объекты, в которых обыгрывается тема ДНК в разных странах мира.

1. Скульптура ДНК, установленная в International Centre for Life, Ньюкасл

Автором ее выступил известный архитектор Чарльз Дженкс (считающийся одним из основателей теории постмодернизма в современной архитектуре, между прочим). Центр занимается популяризацией науки и был открыт в 2000 году. А скульптура - один из многих объектов на территории центра - считается памятником Джеймсу Уотсону, одному из первооткрывателей двойной спирали ДНК.

2. Мост ДНК (Helix Bridge), Сингапур

Мост расположен в центре города, возле знаменитого отеля Марина Бэй и его форма фактически копирует спираль ДНК.  Такой выбор был объяснен тем, что мост должен ассоциироваться с обновлением человеческого организма, его гармоничностью и целостностью. Вечером и ночью на мосту можно увидеться две пары букв С и G, A и T, символизирующих основные вещества ДНК (цитозин-гуанин, аденин-тимин).

Над возведением моста трудились архитекторы известных мировых компаний Архитектс 61 (Сингапур), Кокс Архитектура (Австралия), Аруп (совместная компания специалистов со всего мира) — совместный проект которых был признан лучшим из 36 других предложений. На строительство моста было потрачено почти 83 миллиона долларов, что позволило создать уникальный по технологическим характеристикам объект. Общая площадь объекта составила около 1400 квадратных метров, при весе 1700 тонн.

3. Скульптурная группа "Что такое жизнь" (Национальный ботанический сад Ирландии), Дублин

Дублинский ботанический сад занимает внушительную территорию 25 гектаров в самом центре ирландской столицы. «Зелёное сердце Дублина», как любовно называют его местные жители, может похвастать двадцатью тысячами всевозможных растений со всего мира. А еще - некоторыми уникальными арт-объектами. В их числе скульптурная группа "Что такое жизнь", состоящая из памятников ДНК, РНК и некоторым макромолекулам. Создали ее к 60-летию открытия ДНК в 2013 году, а название копирует знаменитую книгу Эрвина Шрёдингера "Что такое жизнь", вышедшую в 1943 году и также посвященную темам наследственности и мутации. Кстати, книга была написана под впечатлением от статьи Николая Тимофеева-Ресовского и Карла Циммера про теорию мишеней и мутации под воздействием радиации. Вот такая научная "цепочка" получилась.

4. ДНК с цветной глазурью (Музей науки Principe Felipe), Валенсия

В испанской Валенсии есть большой культурный центр City of Arts and Sciences (площадью более 2 кв.км), четыре этажа его главного здания отведены под музей науки Principe Felipe. На каждом этаже есть целый интерактивный мир, где, например, можно увидеть, как вылупляются цыплята или, как вырабатывается электричество. На четвертом этаже есть группа экспонатов под названием "Лес из хромосом", их задача объяснить строение ДНК. А на первом - расположилась 15-метровая скульптура ДНК из стали и цветной глазури.

5. Спиральная скульптура (Институт биофизики Китайской академии наук), Пекин

Институт биофизики входит в Пекинское отделение Китайской академии наук, оно самое крупное и включает 15 институтов (что в два с половиной раза меньше, правда, чем в новосибирском Академгородке). У института есть свой музей, к которому относятся и несколько объектов, расположенных на улице. В частности - та самая Спиральная скульптура.

6. Памятник Морису Уилкинсу, Понгароа, Новая Зеландия

Новозеландский биолог Морис Уилкинс также был одним из соавторов открытия структуры ДНК как и Д. Уотсон (которому поставили памятник в Ньюкасле). Впрочем, это далеко не единственный его вклад в науку - в частности, он усовершенствовал оптические микроскопы и радар. А в последние годы своей жизни - много сделал для понимания роли и механизмов работы РНК. Но памятник на родине (Уилкинс, хоть и проработал почти всю жизнь в Англии, родился на другом краю света - в новозеландском городке Понгороа) ему поставили именно за открытие спирали ДНК.

7. Памятник "Мышь, вяжущая ДНК", Новосибирск

Памятник лабораторной мыши, расположенный в сквере около Института цитологии и генетики (ИЦиГ) Сибирского отделения РАН, был открыт 1 июля 2013 года, открытие приурочили к 120-летию Новосибирска.

Над образом мыши работал новосибирский художник Андрей Харкевич, который создал больше десяти эскизов. «Здесь сочетаются образы лабораторной мыши и ученого, потому что они связаны между собой и служат одному делу. Мышь запечатлена в момент научного открытия. Если всмотреться в её взгляд, можно увидеть, что эта мышка уже что-то придумала. Но вся симфония научного открытия, радость, „эврика!“ ещё не зазвучали», - так описал образ Андрей Харкевич.

А академик Николай Колчанов, возглавлявший тогда институт, сказал, что памятник символизирует благодарность животному за то, что человечество имеет возможность использовать мышей для изучения генов животных, молекулярных и физических механизмов заболеваний, разработки новых лекарств.

8. Скульптура ДНК в Калифорнийском университете, Беркли

Автором композиции, установленной в 1992 году выступил известный калифорнийский дизайнер и архитектор Майкл Янцен. Причем, известен он в основном безумными проектами, типа вот этого. Так что композиция про ДНК - это он еще сдерживал себя. И все равно получилось довольно оригинально. Издалека она напоминает раму велосипеда, но на самом деле это художественная решетчатая лестница, по которой можно полазить.

9. Памятник Молекуле ДНК, Воронеж

Стела «Слава советской науке» больше известная как памятник «Молекула ДНК» один из самых необычных памятников Воронежа.

История его появления в Воронеже тоже необычная. Первоначально более сорока лет назад этот памятник был установлен в Зеленограде, как символ Зеленоградского института радиоэлектроники. Но жителям и администрации города он пришелся не по вкусу и выменяли на несколько тонн метала и перевезли в Воронеж.

В 2010 году памятник молекуле ДНК хотели снести, т.к. он требовал ремонта, но жители города «отстояли» необычный монумент.

Результаты научных исследований Центра Мешалкина, посвященные применению оригинальной технологии хирургического лечения легочной гипертензии, вызвали большой интерес мирового научного сообщества. Доклады специалистов учреждения по данной тематике были признаны одними из лучших в программе ежегодного конгресса Европейского общества кардиологов (ESC Congress 2019).

Легочная гипертензия – заболевание, характеризующееся повышенным давлением в легочных артериях, которое приводит к сердечной недостаточности и преждевременной гибели пациентов. Причиной заболевания является закрытие просвета легочных артерий тромбами, однако до 40% пациентов после хирургического удаления тромботических масс из сосудов страдают резидуальной (остаточной) легочной гипертензией, значимо снижающей качество жизни. Основными жалобами больных резидуальной легочной гипертензией являются повышенная утомляемость, слабость, одышка при физической нагрузке. Постепенно у пациентов начинает страдать насосная функция правых камер сердца, проявляются симптомы сердечной недостаточности.

Единственным вариантом лечения данной группы пациентов была пожизненная дорогостоящая медикаментозная терапия. Специалисты Центра Мешалкина первыми в стране занялись разработкой и внедрением новой технологии хирургического лечения резидуальной легочной гипертензии, которая позволит остановить прогрессирование заболевания.

Радиочастотная денервация ганглионарных сплетений ствола и устьев легочной артерии заключается в воздействии на сеть нервных волокон, проходящих вдоль легочных артерий. В результате снижается вазоспастический компонент и сопротивление в сосудах малого круга кровообращения. Специалисты выполняют вмешательство с применением роботизированной системы с технологией магнитного позиционирования катетера, которая позволяет более точно воссоздать анатомию легочной артерии и ее ветвей для максимально прицельного нанесения радиочастотного воздействия.

В ходе конгресса Европейского общества кардиологов специалисты представили результаты пилотного рандомизированного клинического исследования, в котором доказали функциональные и клинические преимущества данного метода хирургического лечения резидуальной легочной гипертензии перед медикаментозной терапией. По данным контрольной диагностики, денервация легочных артерий приводит к значимому стойкому снижению легочного артериального давления, повышению толерантности к физической нагрузке, уменьшению степени и выраженности проявлений сердечной недостаточности.

Второй отмеченный организационным комитетом конгресса доклад был посвящен технологии лечения пациентов с поражениями митрального клапана с сопутствующей высокой легочной гипертензией. Остаточная легочная гипертензия снижает толерантность к физическим нагрузкам у пациентов, а также негативно влияет на отдаленную выживаемость, несмотря на успешную коррекцию порока митрального клапана.

Новая методика лечения, развиваемая специалистами Центра Мешалкина, заключается в одномоментном вмешательстве на митральном клапане и аблации ствола и магистральных ветвей легочной артерии. Результаты двухлетнего наблюдения в рамках пилотного рандомизированного исследования показали высокий потенциал данной технологии.

У пациентов, которым в ходе хирургической коррекции порока митрального клапана, осложненного легочной гипертензией, выполняли аблацию легочной артерии, отмечено более значимое снижение давления в легочной артерии, а также прирост толерантности к физическим нагрузкам.

ESC Congress является ключевым событием в жизни мирового профессионального сообщества кардиологов. Научная программа конгресса включает более 600 экспертных сессий, охватывающих все направления научных исследований в кардиологии, сердечно-сосудистой хирургии, интервенционной кардиологии. Более 33 000 специалистов со всего мира участвуют в обсуждении актуальных проблем с учетом последних тенденций и инновационных подходов в диагностике и лечении патологии сердечно-сосудистой системы.

Высокий интерес организаторов и участников ESC Congress 2019 к исследовательской деятельности Центра Мешалкина подтверждает интегрированность учреждения в мировое научное пространство. Специалисты Центра являются постоянными участниками ведущих международных научных событий в кардиохирургии, кардиологии, торакальной анестезиологии-реаниматологии, презентующими профессиональному сообществу результаты исследовательской деятельности.

Источник